山东理工大学：《内燃机设计》课程教学资源（电子教案，共十一章，主讲教师：郭鹏江）

内燃机设计(B12084)教案 课程名称 内燃机设计 授课对象 主讲教师 郭鹏江 教师所在院（部）、系（室） 选用教材 《内燃机设计》

内燃机设计（B12084）教案 课 程 名 称 内燃机设计 授 课 对 象 主 讲 教 师 郭鹏江 教师所在院（部）、系（室） 选 用 教 材 《内燃机设计》

讲稿内容 备注 内燃机设计 第一章内燃机设计总论 第二章曲柄连杆机构受力分析 第三章内燃机的平衡 第四章曲轴系统的扭转振动 第五章配气机构设计 第六章曲轴飞轮组设计 第七章连杆组设计 第八章活塞组设计 第九章内燃机滑动轴承设计 第十章机体与缸盖设计 第十一章内燃机冷却与润滑系设计 第一章内燃机设计总论 第一节内燃机设计的一般流程 计划阶段、设计实施阶段、检验阶段、改进与处理阶段 第二节内燃机的主要设计指标 一、动力性指标 1. 功率Pe Pe=P=-Vh-z-n=0.785P=:Vm-z-D ( 30x

讲 稿 内 容 备注 内燃机设计 第一章 内燃机设计总论 第二章 曲柄连杆机构受力分析 第三章 内燃机的平衡 第四章 曲轴系统的扭转振动 第五章 配气机构设计 第六章 曲轴飞轮组设计 第七章 连杆组设计 第八章 活塞组设计 第九章 内燃机滑动轴承设计 第十章 机体与缸盖设计 第十一章 内燃机冷却与润滑系设计 第一章 内燃机设计总论 第一节 内燃机设计的一般流程 计划阶段、设计实施阶段、检验阶段、改进与处理阶段。 第二节 内燃机的主要设计指标 一、动力性指标 1. 功率 Pe ( ) p V z D 0.785 30 p z P 2 me me 千瓦      =    = Vh n m e

式中Pme一平均有效压力(MPa),Vm-活塞平均速度(m/s),Vh 气缸排量L),Z-气缸数，n-转速(rmin),D一气缸直径(mm),t 一冲程数，四冲程T=4,二冲程τ=2。 可见，有效功率P受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参数 基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压力。 2.转速n n增加对提高Pe有利，但是转速增加后： )惯性力，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加： (2).工作频率增加一热负荷增加： 3).摩擦损失增加，导致nm下降、ge升高、磨损加剧，寿 命缩短： (4).进排气系统阻力增加，使nv变小： 3.最大扭矩Memax及nMe M.-里×3000_里×95493-31.831pm-mm T 扭矩适应性系数 Memax >1 Hm=Men 转速适应性系数 4,=”>1 me 总适应系数 μ=μmμ 二、经济性指标 1.燃油消耗率ge(克/千瓦小时) 降低ge的措施：提高ni和nm 车用汽油机 260-400

式中 Pme— 平均有效压力（MPa），Vm—活塞平均速度（m/s），Vh— 气缸排量(L)，Z—气缸数，n – 转速（r/min），D—气缸直径（mm），τ —冲程数，四冲程τ=4，二冲程τ=2。 可见，有效功率 Pe 受到上面各参数的影响。在设计转速和结构参数 基本确定下来之后，影响有效功率的主要参数就是平均有效压力。 2. 转速 n n 增加 对提高 Pe 有利，但是转速增加后： ⑴ 惯性力 ，导致负荷增加，平衡、振动问题突出，噪音增加； ⑵. 工作频率增加——热负荷增加； ⑶. 摩擦损失增加，导致 ηm 下降、ge 升高、磨损加剧，寿 命缩短； ⑷. 进排气系统阻力增加 ，使ηv 变小； 3. 最大扭矩 Memax 及 nMe 扭矩适应性系数 转速适应性系数 总适应系数 μ=μmμn 二、经济性指标 1.燃油消耗率 ge (克/千瓦小时) 降低 ge 的措施： 提高 ηi 和ηm 车用汽油机 260-400 P P 31.831 30000 m 9549.3 ( ) e e e h e p V M Nm n n      =  =  =1 M M max =  en e  m = 1 me ne n n n 

车用柴油机200—260 2.机油消耗率gm(克/千瓦小时) 1.3-2.6克/千瓦小时 三、耐久性、可靠性指标 可靠性一在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不 会因为故障而影响正常运转的能力。 耐久性一从开始使用起到大修期的时间。 四、重量、尺寸、外形指标 是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。 比重量gw=G/Pe(kg/kw): 体积功率Pv=Pe/V(kw/m3) 五、低公害指标 1.噪音 内燃机噪音分为：燃烧噪音、进排气噪音和机械噪音 2.排污 CO破坏人体的输氧能力，麻痹呼吸器官HC破坏呼吸系 统，NOx一与水蒸气混合，在肺部生成稀硝酸。 六、制造、使用、维护指标 1)高的动力性能。功率、扭矩、使用转速范围，均适合于工作机械 的需要。 2)高的燃料经济性。汽车发动机还必须注意部分负荷和不稳定工况 下的经济性，还要求燃油经济区尽可能宽，这在混合动力中尤为重要

车用柴油机 200—260 2.机油消耗率 gm (克/千瓦小时) 1.3—2.6 克/千瓦小时 三、耐久性、可靠性指标 可靠性—在规定的运转条件下，规定的时间内，具有持续工作，不 会因为故障而影响正常运转的能力。 耐久性—从开始使用起到大修期的时间。 四、重量、尺寸、外形指标 是评价设计的紧凑性和金属利用程度的指标。 比重量 gw=G/Pe(kg/kw)； 体积功率 Pv=Pe/V(kw/m3) 五、低公害指标 1. 噪音 内燃机噪音分为： 燃烧噪音、进排气噪音和 机械噪音 2. 排污 CO—破坏人体的输氧能力，麻痹呼吸器官 HC—破坏呼吸系 统， NOx—与水蒸气混合，在肺部生成稀硝酸。 六、制造、使用、维护指标 1）高的动力性能。功率、扭矩、使用转速范围，均适合于工作机 械 的需要。 2) 高的燃料经济性。汽车发动机还必须注意部分负荷和不稳定工况 下的经济性，还要求燃油经济区尽可能宽，这在混合动力中尤为重要

3)高的工作可靠性和足够的使用寿命 4)对于汽车用内燃机，还要求尽量低的振动和噪声。 第三节内燃机的选型 一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机 现在广泛使用的内燃机主要是柴油机、汽油机和气体燃料发动 机。在选择内燃机时首先碰到的问题就是选择什么内燃机。 从两方面考虑 ·内燃机本身的技术经济特点和市场需求。 ·地区或国家对环境和能源应用分布的要求。 柴油机： ·燃料经济性好： ·工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统 ·可以通过增压、扩缸来增加功率： ·防火安全性好，柴油挥发性差； ·CO和HC的排放比汽油机少。 汽油机： ·空气利用率高，转速高，因而升功率高。化油器式的过量空气系数 a较高，在1.1左右，电控喷射要求a=1: ·因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低： ·低温起动性、加速性好，噪音低： ·由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小（一般 只有柴油机的一半重量)：

3) 高的工作可靠性和足够的使用寿命。 4）对于汽车用内燃机，还要求尽量低的振动和噪声。 第三节 内燃机的选型 一、柴油机、汽油机或气体燃料发动机 现在广泛使用的内燃机主要是柴油机、汽油机和气体燃料发动 机。在选择内燃机时首先碰到的问题就是选择什么内燃机。 从两方面考虑 • 内燃机本身的技术经济特点和市场需求。 • 地区或国家对环境和能源应用分布的要求。 柴油机： • 燃料经济性好； • 工作可靠性和耐久性好，因为没有点火系统； • 可以通过增压、扩缸来增加功率； • 防火安全性好，柴油挥发性差； • CO 和 HC 的排放比汽油机少。 汽油机： • 空气利用率高，转速高，因而升功率高。化油器式的过量空气系数 α较高，在 1.1 左右，电控喷射要求α=1； • 因为没有柴油机喷油系统的精密偶件，制造成本低； • 低温起动性、加速性好，噪音低； • 由于升功率高，最高燃烧压力低，所以结构轻巧，比质量小（一般 只有柴油机的一半重量）；

·不冒黑烟，颗粒排放少。 目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。 燃气发动机： ·气体燃料发动机主要使用压缩天然气(Compressed Natura Gas-CNG)、液化天然气(Liquified Natural Gas-LNG)、液化石 油气(Liquified Petrol Gas-LPG). ·可以汽油LPG、汽油/天然气切换(Bi-ful两用燃料)或天然气 柴油混合(Dual Fuel双燃料)，也可以单独使用： ·辛烷值超过100，单独使用时可以提高压缩比以保证功率不损失： ·排放指标比较低、不冒黑烟： ·一般情况下使用经济性较好，价格也比汽油便宜： ·可以节省石油资源： ·燃料供给采用多点电控喷射才能使混和气比较均匀。 一般，6吨以上用柴油机，36吨混用，3吨以下汽油机居多，燃气则有 较宽的使用范围。但是燃气汽车续航里程短，大部分地区加气站不如汽、 柴油加油站分布广泛，所以燃气汽车多用于城市公交车、城市出租车。 二、冲程 四冲程：使用可靠，工作柔和，耐磨，经济性好，指标稳定，生产、使 用经验丰富： 二冲程：单位时间内工作循环多一倍，实际功率输出大50~70%，体积 小，重量轻，结构简单，但经济性差。 三、冷却形式

• 不冒黑烟，颗粒排放少。 目前来讲，柴油机的优点就是汽油机的缺点，反之亦然。 燃气发动机： • 气体燃料发动机主要使用压缩天然气（Compressed Natural Gas—CNG）、液化天然气（Liquified Natural Gas—LNG）、液化石 油气（Liquified Petrol Gas—LPG）。 • 可以汽油/LPG、汽油/天然气切换（Bi-fuel 两用燃料）或天然气/ 柴油混合（Dual Fuel 双燃料），也可以单独使用； • 辛烷值超过 100，单独使用时可以提高压缩比以保证功率不损失； • 排放指标比较低、不冒黑烟； • 一般情况下使用经济性较好，价格也比汽油便宜； • 可以节省石油资源； • 燃料供给采用多点电控喷射才能使混和气比较均匀。 一般，6 吨以上用柴油机，3-6 吨混用，3 吨以下汽油机居多，燃气则有 较宽的使用范围。但是燃气汽车续航里程短，大部分地区加气站不如汽、 柴油加油站分布广泛，所以燃气汽车多用于城市公交车、城市出租车。 二、冲程 四冲程：使用可靠，工作柔和，耐磨，经济性好，指标稳定，生 产、使 用经验丰富； 二冲程：单位时间内工作循环多一倍，实际功率输出大 50~70%，体积 小，重量轻，结构简单，但经济性差。 三、冷却形式

水冷： 1.冷却均匀效果好： 2.nv大，pe大： 3.受外界影响小 4.噪音低」 风冷： 1.散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大： 2.可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂： 3.噪音大，因为无水套吸音： 4.铸造困难； 5.冷却系结构简单，无漏水： 6.单体结构，维修成本低。 四、气缸的布置 主要由发动机的使用环境决定。 单列：结构简单，使用维修方便。 双列：在增加功率，提高车厢面积有效利用要求下，趋向采用双列， 双列有V型、错缸型（缸心线平行和缸心线不平行两种） 卧式：可布置在底盘中部或后部，大幅度降低高度，改善面积利用率， 开阔视野，提高了操纵性、机动性。 第四节内燃机主要参数的选择 pe-PhZn-075PmZ-D(仟瓦 30r

水冷： 1. 冷却均匀效果好； 2.ηv 大，pe 大； 3.受外界影响小; 4.噪音低. 风冷： 1. 散热不好，热负荷高，油嘴易堵，机油易变稀，磨损大； 2. 可在沙漠等缺水地带使用，无冻裂； 3. 噪音大，因为无水套吸音； 4. 铸造困难； 5. 冷却系结构简单，无漏水； 6. 单体结构，维修成本低。 四、气缸的布置 主要由发动机的使用环境决定。 单列：结构简单，使用维修方便。 双列：在增加功率，提高车厢面积有效利用要求下，趋向采用双列， 双列有 V 型、错缸型（缸心线平行和缸心线不平行两种） 卧式：可布置在底盘中部或后部，大幅度降低高度，改善面积利用率， 开阔视野，提高了操纵性、机动性。 第四节 内燃机主要参数的选择 . (千瓦)   2 me pme Vm Z D 0 785 30 p Vh Z n Pe    =    =

一、平均有效压力pmc P=作儿月之 a.lo Hu一燃料低热值，Ys-进口状态下空气密度，10一理论空气量 提高pme的途径： 1.↑V,采用合理的进气系统，合理的配气机构（相位、型线、多气 门) 2.↑1i,↑ε，↓传热损失（绝热活塞、绝热气缸），加强燃烧室密 封 3.↑nm,减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。 柴油机还要注意燃油系统的调整，使α→1：采用增压提高空气密度。当 然，增压会带来： 机械负荷增加→机械应力增加 热负荷增加→热应力增加 应从结构、冷却、加工、材料等方面加以保证。 二、活塞平均速度 m甜 Vm是表征发动机强化程度的主要参数 Vm↑可以使平均有效压力Pe增加，但是Vm↑的副作用是： 1.摩擦损失增加，导致热负荷增加、机油承载能力下降、发动机寿命降 低。 2.惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低

一、平均有效压力 pme Hu—燃料低热值， γs –进口状态下空气密度， l0—理论空气量 提高 pme 的途径： 1. ↑ηv , 采用合理的进气系统，合理的配气机构（相位、型线、多气 门） 2. ↑ηi , ↑ε， ↓传热损失（绝热活塞、绝热气缸），加强燃烧室密 封 3. ↑ηm ，减小配合间隙，选择摩擦材料，提高工艺水平。 柴油机还要注意燃油系统的调整，使α→1；采用增压提高空气密度。当 然，增压会带来： 机械负荷增加→机械应力增加 热负荷增加 → 热应力增加 应从结构、冷却、加工、材料等方面加以保证。 二、活塞平均速度 Vm 是表征发动机强化程度的主要参数 Vm↑可以使平均有效压力 Pe 增加，但是 Vm↑的副作用是： 1．摩擦损失增加，导致热负荷增加、机油承载能力下降、发动机寿命降 低。 2．惯性力增加，导致机械负荷和机械振动加剧、机械效率降低。 u s me i v m 0 H p l       =     30 S n 60 2S n Vm = =

3.进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率nv下降。 三、气缸直径和缸数 气缸直径D加大，P以平方的速度增加。但是惯性力也增加明显，导 致振动和机械负荷加剧。 缸数Z增加，P线性提高，发动机长度加大，平衡性改善。 M=txr=txs ·气缸直径改变之后，要做如下必要的工作： 一计算气缸工作容积。 -计算标定功率和标定转速下的扭矩M。利用表(1-2)估算 最大扭矩Memax和对应转速。 一压缩比验算和调整、燃烧室重新设计。 一工作过程计算。 一重新选配活塞组零件，计算活塞组质量。 一确定是够需要改变气门直径和气门最大升程，是够需要重新 设计凸轮型线。 一重新曲轴平衡分析、重新设计曲轴的平衡块及布置。 一进行曲柄连杆机构动力计算，计算活塞侧向力、连杆力、切 向力、径向力和单缸扭矩，计算轴颈积累扭矩。 一连杆轴承表面压力校核。 一曲轴系统的扭转振动计算以确定是否要重新匹配减振措施。 一冷却水流动和散热能力计算分析

3．进排气流速增加，导致进气阻力增加、充气效率ηv 下降。 三、气缸直径和缸数 气缸直径 D 加大，Pe 以平方的速度增加。但是惯性力也增加明显，导 致振动和机械负荷加剧。 缸数 Z 增加，Pe 线性提高，发动机长度加大，平衡性改善。 • 气缸直径改变之后，要做如下必要的工作： – 计算气缸工作容积。 – 计算标定功率和标定转速下的扭矩 Me。利用表（1-2）估算 最大扭矩 Memax 和对应转速。 – 压缩比验算和调整、燃烧室重新设计。 – 工作过程计算。 – 重新选配活塞组零件，计算活塞组质量。 – 确定是够需要改变气门直径和气门最大升程，是够需要重新 设计凸轮型线。 – 重新曲轴平衡分析、重新设计曲轴的平衡块及布置。 – 进行曲柄连杆机构动力计算，计算活塞侧向力、连杆力、切 向力、径向力和单缸扭矩，计算轴颈积累扭矩。 – 连杆轴承表面压力校核。 – 曲轴系统的扭转振动计算以确定是否要重新匹配减振措施。 – 冷却水流动和散热能力计算分析。 S M t r t 2 =  = 

四、行程S 行程S增加，可以提高Pe,但活塞平均速度Cm提高，有磨损加速、寿 命降低等问题。一般S的变化主要用于： 1.调节整机排量 2.调节耐久性一减小S,减小侧向力，减轻磨损 3.调节扭矩值 ·要改变行程S,相应在结构上的必要改变和必要的计算包括： ·要重新设计曲轴，使曲轴的曲柄半径r=S2。 ·要重新进行压缩比计算和调整。 ·重新设计缸套长度。 ·计算气缸工作容积。计算标定功率和标定转速下的扭矩M。利用 表(1-2)估算最大扭矩Memax和对应转速。 ·要重新进行曲柄连杆机构动力计算、平衡计算。 ·活塞平均速度和最大速度计算，确定活塞与缸套的摩擦情况。 ·曲柄半径改变，连杆比入变化，要确定连杆长度是否合适，最大连 杆摆角时杆身是否与缸套下沿相碰，活塞下止点时曲轴平衡块是否 与活塞裙部相干涉。一般情况下，如果活塞行程加大，连杆长度也 要加大。 ·要改变机体高度或者将曲轴中心上下移动。 ·要进行工作过程计算等 ·此时曲轴轴颈的重叠度肯定要发生改变，尤其在加大冲程情况下， 一定要利用有限元方法验算曲轴的强度

四 、行程 S 行程 S 增加，可以提高 Pe，但活塞平均速度 Cm 提高，有磨损加速、寿 命降低等问题。一般 S 的变化主要用于： 1．调节整机排量 2．调节耐久性 — 减小 S, 减小侧向力，减轻磨损 3．调节扭矩值 • 要改变行程 S，相应在结构上的必要改变和必要的计算包括： • 要重新设计曲轴，使曲轴的曲柄半径 r=S/2。 • 要重新进行压缩比计算和调整。 • 重新设计缸套长度。 • 计算气缸工作容积。计算标定功率和标定转速下的扭矩 Me。利用 表（1-2）估算最大扭矩 Memax 和对应转速。 • 要重新进行曲柄连杆机构动力计算、平衡计算。 • 活塞平均速度和最大速度计算，确定活塞与缸套的摩擦情况。 • 曲柄半径改变，连杆比λ变化，要确定连杆长度是否合适，最大连 杆摆角时杆身是否与缸套下沿相碰，活塞下止点时曲轴平衡块是否 与活塞裙部相干涉。一般情况下，如果活塞行程加大，连杆长度也 要加大。 • 要改变机体高度或者将曲轴中心上下移动。 • 要进行工作过程计算等。 • 此时曲轴轴颈的重叠度肯定要发生改变，尤其在加大冲程情况下， 一定要利用有限元方法验算曲轴的强度